CN103833317A - 轻质硅藻基超高温隔热板及其制备工艺 - Google Patents

轻质硅藻基超高温隔热板及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以硅藻土为基本原料制备轻质硅藻基超高温隔热板的工艺方法。它以下述原料（重量百分比含量）配制：硅藻土60-95%；液体硅酸钠5-30%；其他辅助加强筋骨料0-20%，混匀浇注，常温凝固成型。当其厚度11-25mm，在板面一侧加热使之表面温度达到1200℃以上时，板面另一侧之背温在时长7分钟内低于100℃。本发明所用原料易得、价格低廉、工艺简单、生产安全。所制得产品导热系数低、高温隔热性能好；质量轻、寿命长、耐腐、耐磨、防火阻燃；是节能环保、可替代钢材、塑料综合性能超强的新材料。

Description

轻质硅藻基超高温隔热板及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种隔热保温材料，尤其涉及一种用于航天器超高温隔热板的材料及其制备工艺。 
  
背景技术
轻质超高温隔热材料主要应用于返回式卫星和载人飞船。它是在各种力学环境和空间环境条件下保证飞行器整体和宇航员安全的核心材料。它以基本的平板、弧形板或其他异型体的形态，通过胶粘剂粘接在金属承力结构的外表面，对金属表面或结构进行热防护，阻隔飞行器返回再入近地轨道过程中的气动加热，将金属结构尤其是载人仓的温度降到可承受的范围。我国目前对隔热材料的研制主要开发了酚醛—涤纶烧蚀隔热材料和以硅橡为基，填充酚醛与玻璃小球而成的H88、H96低密度烧蚀材料，以及以酚醛为基玻璃短纤维增强的MD2中密度烧蚀材料。这些材料具有较高的热稳定性，良好的力学性能和较成熟的制造工艺，但也有其质量大、韧性低、抗冲击差、耐湿热性差、耐热温差小等缺点。即使“阿波罗号”飞船采用的3FIB型弹性隔热毡共计177mm的隔热厚度，使得舱内空间大幅降低；X-37B空天飞行器采用的CFRP碳纤维增强复合板，也因单体纤维抗氧化非烧蚀陶瓷瓦片的小规格粘贴使工艺复杂，成本昂贵，都不能满足技术发展、经济合理的新要求。 
发明内容
为了解决目前航天飞行器短期隔热保温材料及产成品存在的基本性能差、外购价格高、使用效率低、产品寿命短的缺点，本发明提供一种既耐高温低烧蚀又隔热时间长、温差大；既有是轻质隔热材料又抗冲击能力强、生产工艺简化、成本低；且节能减排，充分利用低号资源的生产超高温短期隔热保护材料及其板材的制备加工工艺。 
本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种超高温隔热材料是下述原料（重量百分比含量）配制：硅藻土60%-90%；液体硅酸钠5%-30%；其它辅助加强筋骨料0-20%。 
硅藻土的制备：一、二级原土只需要干燥，不需要深加工；三、四级及废弃等外硅藻土原土用重力选矿法进行选别，除去泥沙、碎屑、固体大颗粒杂物及重矿物，然后在干燥炉中用250℃-600℃中低温焙烧，除去有机质，获得白色、灰白色、灰色干燥的硅藻土精料。 
利用上述原料配方制备超高温隔热板的工艺如下：将获得的硅藻土精料与液体硅酸钠混合，充分搅拌，混匀后浇注、喷涂、刷涂在设计好的平面板材或其它形体的模具中，在避光、通风、气温10℃-40℃、低湿度条件下自然凝固36-24小时后起模，获得所需板材的坯料。然后利用冷加工切削磨方法整理成符合要求的板材成品。或根据需要在模具内铺垫玄武岩纤维布、钢丝网筋等加强辅料，提高产品机械强度。 
本发明的特征在于：利用硅藻土所含60%以上SiO2,少量的Al2O3、Fe2O3、 
MgO、CaO、K2O、Na2O的化学物质；利用圆盘状、筒状、羽状80-90%的高空隙率物理形体；0.3g-0.5g/cm3的密度；1-1.5的低硬度；热、电、声的不良导体；熔点1650-1750℃和非晶型SiO2加热到1000℃时变为晶型可极耐腐、耐磨的化学稳定性，生产出板材厚度11-25cm，在受热面温度1200℃，时长≥7分钟以后，背面温度不超过100℃的轻质硅藻基超高温隔热板。
本发明的积极效果是：该原料易得，价格低廉、资源利用率高，所制得耐高温隔热产品质量轻、抗折、耐腐、耐磨、强度大、导热率低、既耐高温又耐低温。与国外同类产品比，综合成本仅为进口产品的三分之一。本发明虽然以航天飞行器隔热材料为主要研究方向，但它不仅限于此，还可以广泛应用于需要减轻荷重、扩大实用空间、节能减排、环保保健工程，替代大量钢材或塑料加工制作大型防火隔热保温墙、箱、罐、筒、槽、仓等民用设施。 
（四）附图说明 
    图1为轻质硅藻基超高温隔热板隔热性能测试方案
图中1表示为被测试耐高温隔热板样本；
图中2表示为隔热板1中铺设玄武岩纤维布加强筋；
图中3表示为隔热板1中铺设钢丝网加强筋；
图中4表示为金属割炬火焰喷咀及加温火焰；
图中5表示为加热点和高温侧测温点；
图中6表示为氧气装置及氧气输送管；
图中7表示为乙炔气装置及乙炔气输送管；
图中8表示为高温测温仪及虚线引向的测试方向；
图中9表示为低温测温仪及虚线引向的测试方向；
图中10表示为低温与高温加热点对称的低温测试点。
图2为耐高温隔热板样本测试实验加热测温现场实拍图。图中显示：中心光亮处是安设在台钳上被检测的“轻质硅藻基超高温隔热板”样本，图左侧穿浅色衣服者是实验人员用金属割炬给样本加热，最左边是实验人员用手持高温测温仪测试加热温度；图中穿深色衣服者为现场实验监督人员；图中最右侧是实验人员用手持低温测温仪测试样本背温（即低温侧温度）； 
图3、图4为实验人员用手持式高温测温仪测受热点时显示测试过程中的实点温度；
图5是现场实验人员报出样本加热七分钟的背温实点温度后，现场实况监督人员用手扶摸方式去感触样本实际温度。
  
（五）具体实施方式
     下面结合实例对本发明进一步说明：
1、          硅藻土精料制备
1.1原料选择：取三级硅藻土10.5kg，原料理化指标应用前期测定，如表一。
                                              表一 
名   称 含量% 名   称 含量% 名   称 含量%
SiO2 63.76 CaO 0.96 NaO 1.21
Al2O3 16.38 MgO 1.17 TiO2 1.03
Fe2O3 5.82 K2O 1.21 MnO 0.04
P2O5 0.16 SO3 0.008 烧失量 5.80
1.2人工检出粗砂块和树根、枝等杂物。
      1.3将1.1、1.2工序取得原土放在400mm×400mm×8mm的铁板上；并在铁板下放置1000W/220v电阻电炉子，与铁板垂高100mm。 
      1.4给电炉子送电，烘烤硅藻土原土至干燥。 
      1.5用0.15mm筛，筛选原土8.0kg精土备用。 
  2、称取液体硅酸钠1.5kg。将硅藻土精土与液体硅酸钠混合于塑料桶内并用电动搅拌棒搅拌4分钟，成浓膏状备用； 
  3、将制板用的钢制模具用塑料布铺底（作脱模用）；
  4、将搅拌均匀的硅藻土膏浇注在五个模具里，中间适当位置铺同规格玄武岩纤维布和钢丝网加强筋总重0.5kg。浇注结束后，不施加机械压力，然后将模具移放在室内阳光不直接照射的通风口处，静置24小时，“养生”固化；
  5、24小时后视察浇注件初凝情况，具备起模条件时取出，除掉表面杂物；
  6、脱模后板块纵立放置在通风良好木架上继续“养生”12小时；
  7、风干的板块进行修边整理，实际测绘几何尺寸，登记编录；
  8、选择检测仪器、设备
8.1热源选用市面上通用的氧气、乙炔组合，顶吹金属割炬加热方式，加热温度0-3000℃；
8.2高温侧选用AR892红外线测温仪，测试值域0-2200℃；
8.3低温侧选用TM300型红外测温仪，测试值域0-300℃；
8.4板材厚度用电子式卡尺测量，值域0-100mm，精度0.01mm；
8.5板材长度用不锈钢板尺测量；
8.6时长用手机附加功能中的秒表计时；
8.7实验检测实况录像用佳能摄像机和多功能手机采录；
  9、环境概况：测试在实验室内11℃-14℃，门窗开启环境条件下，由参加实验人员分工合作进行；
  10、板材隔热性能测试方案，用图1表示。
  11、热源测定 
11.1选择耐高温隔热板样本任意面作为受热面；
11.2调整6和7，点燃割炬4，调整火焰温度区中的高温区段在选定的受热及高温测试点定点连续加热；
11.3加热一分钟后开始测试加热温度，以图中8显示的数据，报告图中5的高温状况并记录，以图中9显示的数据报告图中10低温状况并记录；
11.4加热温度维持在900℃-1800℃之间；
11.5加热时间不少于7分钟，可能情况下连续加温实验。
  12、检测结果如表二所述 
                                                      表二

Claims (7)

1.一种轻质硅藻基超高温隔热板，它以下述原料（重量百分比含量）配制：硅藻60-95%；液体硅酸钠5-30%；其他辅助加强筋骨料0-20%。
2.根据权利要求1所述的轻质硅藻基超高温隔热板，其特征在于：硅藻土是基本的大量使用的原料，其他如粘结剂、骨料为辅料。
3.根据权利要求2所述，一、二级硅藻土可以直接利用；三、四级原土及等外土重选加工成精土后可以更好利用；产品等级低，不需加工时亦可直接利用。
4.根据权利要求1所述的轻质硅藻基超高温隔热板以硅藻土60-95%；液体硅酸钠15-30%；其他辅助加强筋骨料0-20%；以重量比混合后加工制作，并在常温10-40℃阳光不直接照晒、通风、低湿度条件下凝固合成；合成的方式可以是浇注、喷涂、刷涂，直至达到要求的尺寸标准和耐温指标。
5.根据权利要求1所述轻质硅藻基超高温隔热板可以是平面板或其它形态体。
6.根据权利要求1所述的轻质硅藻基超高温隔热板在隔热要求无机质含量不高的产品生产时，可以用改性的丙烯树脂替代硅酸钠作胶合剂固化产品，使其既有丙烯树脂的耐候性、保光性，亦可常温固化的特点，仍有有机硅树脂耐1000℃温度的特性。
7.根据权利要求1所述的轻质硅藻基超高温隔热板，当其厚度11-25mm，在板面一侧加热，使之表面温度达到1200℃及以上时，板面的另一侧之背面温度在时长7分钟内低于100℃。
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